ARM处理器和ZigBee的智能家居解决方案

张 瑶，侯远韶

(郑州工业应用技术学院信息工程学院，郑州451150)

0 引言

随着生活水平的日益提高，人们对生活环境的舒适性、安全性和效率性提出了更高的要求。近年来，嵌入式技术和物联网技术不断发展创新，将家庭中的家用电器、照明设备、安防设备等集成于一体，智能家居应运而生［1］。为了将系统有机的整合到一起，又具有扩展性能好、功耗低等特点，ZigBee无线传输协议被广泛应用在智能家居的设计中。其可实现网状拓扑复杂的组网协议，使家居中的每个部分都是一个网络节点，相互独立又相互连接，然后通过协议统一管理。这种方案将传统意义的智能家居又带入了另一个高度和领域，其高度的可靠性及低成本低功耗等特点被人们广泛认可。今后的智能家居会是家居装修中必不可少的一部分。

1 传统的智能家居解决方案

1.1 传统智能家居控制方案

传统的智能家居采用单片机作为主控制器，外接各种传感器，使用PC机作为监控设备，实时监控家中的各种状态，更高级一点的外加一个GPRS模块，与用户手机进行绑定，将报警信息及时发送到用户手机以便查看。但是此种方案中每个模块都是独立的，而没有形成一个网络，加之单片机引脚数量、处理速度以及稳定性的限制，其扩展性能较差，早已在智能家居领域被替代［2］。

1.2 传统智能家居网络方案

目前的智能家居网络大多采用蓝牙，Wi－fi，RFID射频等技术。

蓝牙是一种支持点对点的近距离通信的无线技术，支持手机、ipad、无线耳机、个人电脑以及相关外设等具有蓝牙功能的设备之间进行无线信息交换。但其通讯距离太短(传统距离只有10米，升级的PowerClass1距离可达100米)，同时稳定性不够，已经不能满足智能家居的设计要求［3］。另外蓝牙采用配对机制，通信的双方必须通过同一个密钥才能进行通信，一定程度上降低了通信效率，并且安全性也不高，很容易解密，其组网能力和抗干扰能力都不够，更没有网络自愈功能，同时很容易被干扰。所以其在智能家居中并不是一个很完美的解决方案。

Wi－Fi对于我们并不陌生，其中文名为无线保真，其实它就是一个高频无线电信号，可以将手持设备、电脑等以无线方式相互连接起来，也是一种短距离无线传输技术。其遵循IEEE802.11b的协议［4］。它的最大贡献就是人们可以随时随地连接到互联网。但对于智能家居应用来说Wi－Fi有两个致命的缺陷:威胁健康安全和信息安全，加之其功耗高、组网能力差、自修复能力差。因此Wi－Fi虽然在我们的生活中不可或缺，但在智能家居的应用中，Wi－Fi只是起到了辅助的作用。

RFID全称Radio Frequency Identification，中文名称无线射频识别，是一种基于星型网络的短距离点对点通讯技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，通常应用在POS机、超市、公交卡当中［5］。在主控制器和从设备之间距离过远的情况下，需要额外添加信号中继器，不仅增加了成本也增加了开发的难度。其安全性普遍较差，并且不能够自动组网、自动识别。经过一段时间的测试，其在智能家居中的应用并不能让人们所满意，已经不是大多数厂商选择的方案。

2 ZigBee简介

ZigBee是一种可靠性高，通讯距离可以达到几百米甚至几公里，新兴的低速率无线通信技术，现主要应用于无线传感控制应用领域(Sensor and Control)。针对IEEE仅能处理低级MAC层和物理层协议的弊端，ZigBee联盟在通信协议基于IEEE 802.15.4的基础上进行了拓展，对其网络层协议和API进行了标准化。它依据独有的协议标准，实现数据在数千个微小的传感器间的协调传输。它通过协调器间彼此互联、协调器与节点相连的方式，组成多个内部交叉式互联网络，每个协调器最多可连接255个节点，并可根据需要增加路由数目以进行拓展，提高了ZigBee的兼容性。ZigBee所展现出来的低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、高安全等优势特点，使其在自动控制和远程控制等领域具有很高的适用性和兼容性。

ZigBee协议包括物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等多级层级结构。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定［6－8］。其协议栈结构如图1所示。

图1 ZigBee协议栈结构原理图

3 方案设计

本文设计的无线智能家居控制系统采用三星公司S3C2440处理器为主控制器，通过ZigBee网络技术实现家电的数字化管理。系统将家用电器、照明系统、窗帘、门禁及各类传感器等通过ZigBee无线通信技术建立家庭无线局域网，通过互联网或GPRS网络通过计算机、手机等移动终端对其进行远程控制，实现家电的信息化、智能化管理。为便于理解分析，可将系统分为由家电设备组成的内部系统和移动控制终端组成的外部系统两个模块，而整个系统的核心则是内部系统的智能网关，它不仅负责内部与外部之间的相互通信，而且通过ZigBee无线通信网络对无线传感器节点进行实时监控和管理。系统将门禁控制、可视对讲、门锁等一系列安全设施进行有机整合，通过安装在室内的红外探测传感器、水位传感器、烟雾传感器、CO传感器等各种传感器对各项指标进行实时监测，并通过ZigBee无线通信网络与ARM控制器进行实时通信连接。当CO浓度、燃气浓度、水位高度等超过预先设定的标准值的时候，传感器即通过ZigBee网络告知ARM控制器，ARM控制器根据信号做出关掉水龙头，关闭燃气阀门等相应处理，并且将信息实时发送到用户移动终端。系统同时可以利用计算机和移动终端通过以太网对内部家电系统进行远程操作并对室内环境进行远程监控，如在未进入家门之前定时或提前开启空调、热水器或照明系统，出门旅行出差时实时监控家里安保状况等，以适应现代人快速的生活节奏和日益周密的安全问题。除计算机外，系统同时支持智能手机、掌上电脑等移动终端设备进行外部控制，以此提高系统的实用性和便利性。方案总体设计框图如图2所示。

图2 总体设计框图

3.1 数据采集单元

CC2530芯片是用于2.4－GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE 应用 的一个片上系统(SOC)解决方案，其低廉的成本使得系统可以建立全方位的高覆盖率网络节点，以此进行全面细致的数据采集。系统由多个ZigBee节点组成无线局域网，用户由远程控制端发来的控制信息，经过处理发给上述无线局域网中的协调器节点，再由协调器节点根据信息中的地址信息转发给相应设备上的无线节点，从而实现对家电等设备的控制和家庭环境的监测。ZigBee节点的硬件连接框图如图3所示。

图3 ZigBee节点的硬件连接框图

3.2 数据传输单元

该部分是整个系统的核心，主控制器S3C2440一方面通过串口(UART)与内部系统中的协调器相连;一方面通过网口与外部系统相连，实现家电或传感器信号、协调器节点、主控制器、无线控制终端间的数据信息交互传输，相当于系统的“神经网络系统”。在这一部分中，需要对无线控制终端进行操作系统移植，嵌入式服务器搭建等内容进行设计。

3.3 数据处理单元

数据处理单元主要将家中的各种传感器以及监控设备采集到的各种模拟量转换成数字量，与之前设定的标准值进行对比，一旦超限即发声报警并将信息传送到无线控制终端。

4 结语

本文首先对传统的智能家居解决方案和ARM处理器和ZigBee的智能家居方案进行了阐述与对比，展示出ZigBee的解决方案具有兼容性好、自组网能力强、可扩展性好等优势。接着给出了一种基于ZigBee和ARM处理器的智能家居设计方案，此方案具有稳定性好、方便快捷等优点，是现代社会人们生活居住和办公必不可少的基础设施。

［1］张永刚，王斌.物联网技术在智能家居中的应用［J］.智能建筑与城市信息，2012(2):27－30.

［2］李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较［J］.现代电子技术，2010(3):143－146.

［3］钱志鸿，刘丹.蓝牙技术数据传输综述［J］.通信学报，2012，33(4):143－151.

［4］李扬.WiFi技术原理及应用研究［J］.科技信息，2010(6):241－242.

［5］谭成兵.RFID技术在家庭农场灌溉中的应用研究［J］.电脑知识与技术，2013，9(22):5168－5170，5174.

［6］刘礼建，张广明.基于ZigBee无线技术的智能家居管理系统设计［J］.计算机技术与发展，2011，21(12):250－253.

［7］郭渊博，杨奎武，赵俭，等.ZigBee技术与应用［M］.北京:国防工业出版社，2010，6:159－166.

［8］赵建华，张占涛.基于ARM和ZigBee的便携式智能家居终端系统［J］.计算机与数字工程，2013，41(9):1529－1531.